JPH02186284A - 磁束密度を検出するために磁界中で使用する磁束センサ - Google Patents

磁束密度を検出するために磁界中で使用する磁束センサ

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JPH02186284A
JPH02186284A JP1240919A JP24091989A JPH02186284A JP H02186284 A JPH02186284 A JP H02186284A JP 1240919 A JP1240919 A JP 1240919A JP 24091989 A JP24091989 A JP 24091989A JP H02186284 A JPH02186284 A JP H02186284A
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magnetic
magnetic flux
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amplifier
output terminal
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James H Andrus
ジエームズ・エイチ・アンドラス
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Honeywell Inc
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    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07Hall effect devices

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は全体として電磁力センサに関するものであり、
とくに、縦続接続された第1と第2のホール発電器を有
する電磁力センサに関するものである。
〔従来の技術とその課題〕
従来の磁気アクチュエータが各種の磁気的分離装置、磁
気的指向装置および磁気的支持浮遊装置に用いられる。
それら従来のアクチュエータは、物理的に物体に接触す
ることかしにその物体に電磁力を加えるために用いられ
る。電流が固定子コイルに流されると力を発生する磁束
が発生される。
その磁束は磁気回路を通る。指定されたレベルの電流が
コイルを流れ定時に、磁気アクチュエータが既知で、再
現できる力を加えることが理想的であるが、実際には指
令され念力と加えられる力に誤差すなわち違いが存在す
る。その誤差は装置レベルの誤差に々る。精密な指向お
よび分離装置にとっては誤差をできるだけ小さくするこ
とが極めて重要である。
従来のアクチュエータにおいては、磁気アクチュエータ
の応答を直線的にするために種々の能動制御装置が採用
されている。磁気電機子の力を制御するいくつかの方法
を記述するのにいくつかの方法が有用である。
F=−(B)          (1)F=電磁力 A=磁気回路で囲まれ友横断面の面積、uo ” 真空
中の透磁率(空気中とほぼ同じ)、B=磁束密度。
2g N=コイルの巻数、 ■=電磁コイルを流れる電流、 g=磁気インターフェイスの間隙、 (2)式を(1)式に代入すると この式から、力は磁束密度の自乗に比例する。
磁束密度は電流を間隙で除し几商の自乗に比例する。
従来の第1の磁気アクチュエータは力制御装置を有する
。これは、電機子に加えられる力を制御する最も直接で
、最も正確な方法である。tた、これは、帰還要素とし
て、水晶力結晶のような正確な力測定器を用いる。この
装置は非常に正確で、非常に直線的々アクチュエータで
あるが、この装置は、固定子と電機子の境界の間の間隙
を橋絡する比較的壊れやすいセンサを用いることを要す
る。
その次めに、高い加速度が加えられている間にセンサを
保護することを必要とし、かつ弾性質量モードも生ずる
。そのモードはアクチュエータの帯域幅を制限する。こ
の装置は最も高価でもあり、かつ複雑な支援電子装置も
必要とする。
従来の第2の磁気アクチュエータは電流−間隙制御器を
有する。その制御器は磁気アクチュエータの力を制御す
るために(3)式の関係を用いる。プロキシメータ(p
rox1m@ter) が固定子部分と電機子部分の間
の間隙を測定し、電流センサが磁気アクチュエータのコ
イルを流れる電流を測定する。
この装置の利点は実現が比較的容易であり、かつ容易に
利用できるセンサである。この装置の主な欠点は、理想
的々電流−間隙対磁束の関係から外れることから生ずる
。電流−間隙制御を用いる精密な磁気アクチュエータは
、磁束と電流の関係がほぼ直線的である磁性材料を必要
とする。この直線性を達成するために、磁性材料は磁気
履歴が小さい必要がある。そのためKは磁性材料を慎重
かつ費用のかかる処理を必要とする。また、磁気履歴が
小さい材料は比較的低い磁束密度で飽和するから、大き
い磁気履歴の材料に対して、与えられ念力に対して体積
が太きく、重いアクチュエータを必要とする。
従来の第3の磁気アクチュエータは磁束センサを含む磁
束制御器を有する。力は磁束の自乗に比例する(式1)
から、磁束センサを用いる制御ループが磁気履歴ループ
の周囲で閉じて、その非直線性を能動的に制御する。こ
の装置は磁気履歴の大きい材料を用いることによりアク
チュエータを安価にし、かつ軽くする。この装置の欠点
は、電流と間隔の制御器よりも複雑なセンサを必要とす
ることである。直線的な動作領域内で差動磁気アクチュ
エータを動作させる九めにバイアス技術が用いられる。
バイアス技術は、磁束に比例する出力を生ずるセンサで
自乗された磁束に比例する・くラメータの制御に関連す
る問題を解決する。バイアス技術の欠点は、差の力を必
要としない時でも、エネルギーをアクチュエータコイル
で消費せねば々らないことである。この装置の静止状態
におけるエネルギーを減少させる友めに、力指令の平方
根を求め、それを磁束制御ループ指令として供給する別
の制御概念が用いられる。これはアナログ制御装置にお
いて非直線素子(アナログ乗算器)を必要とし、ま九は
デジタル制御器において平方根を求めるアルゴリズムを
必要とする。アナログの平方根を求める装置は、アナロ
グ装置の非直線性の几めにアクチュエータ装置の全体の
確度を下げる。この問題はデジタル制御器では太し几と
とはないが、平方根を求める機能を実行するために計算
の遅れを一層要する。
〔課題を解決する手段〕
本発明に従って、磁束を自乗されるセンサを有する磁気
アクチュエータが得られる。機能的には、そのセンサは
磁束制御器と同じ制御利点を提供する。ま穴、そのセン
サは力に比例する帰還信号を提供して、非直線回路素子
まtはアルゴリズムを必要とすることなしに、ゼロバイ
アス動作を可能にする。これは全アナログ装置における
アクチュエータの確度を向上し、デジタル制御器または
へイブリッド制御器における計算オーバヘッドを減少す
る。共通磁界内で2個のホール素子t−縦続接続するこ
とにLり磁束密度は自乗される。第1のホール素子の出
力が磁束で変調され定入力を第2のホール素子へ供給す
る。したがって、自乗され次磁束(お工び(1)式にエ
フ定められ念力)に比例する出力電圧が直線回路素子を
用いて供給される。
馬蹄形の磁気アクチュエータは電機子と、第1と第2の
端部を有するU形固定子とを含む。第1の端部は第1の
コイルを有し、第2の端部は第2のコイルを有する。第
1のホール素子と、それに縦続接続され定第2のホール
素子とを有する磁束自乗センサは、磁気回路内のコイル
磁極拡大部分上の両方のホール素子、またはfalのコ
イルと第2のコイルにおける1個のホール素子で製作で
きる。
磁束自乗センサを用いることにより、磁気間隙を橋絡す
ること危しに電磁アクチュエータへ加えられる力に比例
する出力電圧と出力電流が供給される。力を直接に測定
することKより、非直線回路素子′またはアルゴリズを
用いることなし第1アクチユエータを休止状態における
消費電力が少い構造で直接動作させることができる。従
来の磁気アクチュエータの諸問題はこの装置により避け
られる。
〔実施例〕
μ下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第1図に示すように、電磁アクチュエータまたは磁気ア
クチュエータ10が得られる。磁気アクチュエータ10
は差動形磁気アクチュエータである。磁気アクチュエー
タ10は第1の上部固定子12と、#!2の下部固定子
14と、電機子16とを含む。
第2図と第3図に上部固定子12が示されている。上部
固定子12の構造は下部固定子14の構造と同じである
。上部固定子12は第1の左コイル18と、第2の右コ
イル20と、固定子後部鉄22とを有する。磁束自乗セ
ンサ23が第1の左磁束センサ24と、第2の右磁束セ
ンサ26とを含む。それらの磁束センサ24,28は磁
他拡大部25.27にそれぞれ取付けられる。上部固定
子12は磁路28も有する。その磁路は電機子16から
、左磁束センサ24と、左コイル1Bと、固定子後部鉄
22と、右コイル20と、右磁束センサ26とを通って
電機子16まで延長する。
第3図には、磁束センサ24と26で構成され元磁束自
乗センサ23の機能ブロック図が示されている。この実
施例では磁束センサ24と26の構造は同じである。磁
束自乗センサ23は第1のホール発電器サブ組立体30
と、第2のホール発電器サブ組立体32とを含む。第1
のサブ組立体30Fi第1の増幅器34と、ホール発電
器すなわちセンサ24と、第2の増幅器teは相互イン
ピーダンス増幅器38とを含む。第2のサブ組立体32
も第1の増幅器40と、ホール発電器すなわちセンサ2
6と、第2の増幅器44とを有する。
第3図において、増幅器34は上部正入力端子46と、
下部負入力端子48と、出力端子50とを有する。コネ
クタ52は上部正入力端子46から基準電源の端子54
まで延長する。
ホール発電器24は第1の左正端子56と、第2の右正
端子58と、第1の左負端子60と、第2の右負端子6
2とを有する。コネクタ64が第2の正端子58から増
幅器の出力端子50まで延びる。コネクタ66が増幅器
の負入力端子48から回路点6Bと、抵抗10と、回路
点72とを通ってアースT4まで延びる。コネクタT6
がホール発電器の第1の負端子60から回路点68まで
延びる。
増幅器38は下部正入力端子7Bと、上部負入力端子8
0と、出力端子82とを有する。コネクタ84が下部正
入力端子78から第1の左正入力端子56まで延びる。
コネクタ86が負入力端子80から回路点88を通って
ホール発電器の出力端子62まで延長する。コネクタ9
0が増幅器の出力端子82から回路点92と抵抗94を
通って回路点88まで延びる。
@3図において、増幅器40は上部正入力端子96と、
下部負入力端子98と、出力端子100とを有する。コ
ネクタ102が上部正入力端子96から回路点92まで
延びる。
ホール発電器26け第1の左正端子104と、第2の下
部正端子106と、第1の左負端子108と、第2の右
負端子110とを有する。コネクタ112が第2の正端
子106から増幅器の出力端子100まで延びる。コネ
クタ114が増幅器の負入力端子98から回路点116
と抵抗118を通ってアースγ4tで延びる。コネクタ
120がホール発電器の第1の負端子108から回路点
116tで延びる。
増幅器44け下部正入力端子122と、上部負入力端子
124−と1、正出力端子126とを有する。コネクタ
128が下部正入力端子122から第1の左正入力端子
1044で延びる。コネクタ130が負入力端子124
から回路点132を通って出力端子110まで延びる。
コネクタ134が増幅器の出力端子126から回路点1
36と抵抗13Bを通って回路点132まで延びる。コ
ネクタ140が端子136から電圧出力(vout)の
次めの端子142まで延びる。
M3図は磁束自乗センサ23の機能ブロック図である。
ホール発電器サブ組立体30と32が共通の磁界内で縦
続接続される。第1のホール発電器30の出力が第1の
ホール発電器32の穴めの磁束密度に比例する制御電流
(工□)へ変換される。その結果として第2のホール発
電器32の端子142に生ずる出力は自乗され念磁束密
度に比例し、その磁束密度はアクチュエータの力に比例
する。
電圧制御電流源34は安定な一定電圧を受け、第1のホ
ール発電器(f(Gl)24を介して一定電流(IHl
)を生ずる。この電流は次式により表される。
第1のホール発電器(I(Gl)24からの出力電流力
Sホール方程式により4見られる。
I、l=〜Gl ” Hl °B1 ことに、 ■。1=出力電流(A) K、o0= HOIのホール係数(A/A−テスラ)I
H□=ホール電流囚 Bl = HGIへ入る磁束密度(テスラ)である。相
互インピーダンス増幅器38はこの電流をBI K比例
する出力電圧VBIK変換する( KHGI  と贈1
は一定であると仮定する)。その電圧VB□は次式によ
り与えられる。
vBl ” RFl ” 01 この電圧は第2の電圧により制御される電流源40を駆
動する。これは、第2のホール発電器(田2)26を通
じて供給される電流がB1に比例するようにする。第2
のホール発電器32の出力電圧は次式で与えられる。
vお=〜Gl ” Km ’ ”” ”Fl■1mを代
入すると(vout =VBsとする)、と置き、Bl
 = B2− Bと仮定すると、重 vout ” K’・B となる。したがって、出力電圧は磁束密度の自乗に比例
する。
電磁アクチュエータ10の利点について以下に述べる。
第1に、センサ23は力に比例する帰還信号を供給する
第2に、センサ23Fi、力に比例する出力を供給する
ためにセンサ23け非直線信号調整素子を必要としない
第3K、センサ23け、従来のセンサと比較して、全ア
ナログ装置における力の確度を高くする。
第41C,センサ23がデジタル制御器ま友はハイブリ
ッド制御器に用いられた時に、センサ23け計算オーバ
ーヘッドを減少させる。
第5に、非直線回路素子ま友はアルゴリズムを用いると
となしK、アクチュエータ1oは休止時の消費電力が少
い工うKして動作できる。
以上、本発明を好適な実施例について説明し九が、その
説明において用い次用語は本発明を限定するものではな
くて説明のtめの用語であり、本発明の要旨を逸脱する
ことなしに、添附請求の範囲の記載範囲内でその実施例
を変更できる。
次とえば、センサ23のホール素子を前記電流モードで
実現する代りに、電圧モードで実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電磁アクチュエータの斜視図、第2図
は第1図の電磁アクチュエータの部分側面図、第3図は
第2図の一部の機能ブロック図である。 10・・・・磁気アクチュエータ、12.14・・・・
固定子、16・・・・電機子、18.20・・・・コイ
ル、23・・・・磁束自乗センサ、24.26・・・・
磁束センサ、30.32・・・・ホール素子、34,4
0.44・自−増m器、38・・・・相互インピーダン
ス増幅器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基準電圧を受ける第1の入力端子と第1の出力端
    子を有する第1の増幅器と、 第1の出力端子と、基準電圧制御電流を受けるために第
    1の増幅器の第1の出力端子へ接続される第1の入力端
    子とを有する第1のホール発電器と、 第1のホール発電器の第1の出力端子へ接続される第1
    の入力端子と、出力電圧を供給するための第1の出力端
    子とを有する第2の増幅器と、第2の増幅器の第1の出
    力端子へ接続される第1の入力端子と、第1の出力端子
    とを有する第3の増幅器と、 第1の出力端子と、磁束変調された電流を受けるために
    第3の増幅器の第1の出力端子へ接続される第1の入力
    端子とを有する第2のホール発電器と、 出力電圧を供給するための第1の出力端子と、第2のホ
    ール発電器の第1の出力端子へ接続される第1の入力端
    子とを有する第4の増幅器と、を備えることを特徴とす
    る磁束密度を検出するために磁界中で使用する磁束セン
    サ。
  2. (2)第1のホール発電器サブ組立体と第2のホール発
    電器サブ組立体を含み、磁束密度を検出するために磁界
    中で使用する磁束センサにおいて、第1のホール発電器
    は、 基準電圧を受ける第1の入力端子と第1の出力端子を有
    する第1の増幅器と、 第1の出力端子と、基準電圧制御電流を受けるために第
    1の増幅器の第1の出力端子へ接続される第1の入力端
    子とを有する第1のホール発電器と、 第1のホール発電器の第1の出力端子へ接続される第1
    の入力端子と、出力電圧を供給するための第1の出力端
    子とを有する第2の増幅器と、を含み、第2のホール発
    電器は、 第2の増幅器の第1の出力端子へ接続される第1の入力
    端子と第1の出力端子を有する第3の増幅器と、 第1の出力端子と、制御電流を受けるために第3の増幅
    器の第1の出力端子へ接続される第1の入力端子とを有
    する第2のホール発電器と、第2のホール発電器の第1
    の出力端子へ接続される第1の入力端子と、磁束密度の
    自乗に比例する出力電圧を供給するための第1の出力端
    子とを有する第4の増幅器と、 を含むことを特徴とする磁束密度を検出するために磁界
    中で使用する磁束センサ。
JP1240919A 1988-09-19 1989-09-19 磁束密度を検出するために磁界中で使用する磁束センサ Pending JPH02186284A (ja)

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US07/246,129 US4882512A (en) 1988-09-19 1988-09-19 Electromagnetic force sensor
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EP (1) EP0360166B1 (ja)
JP (1) JPH02186284A (ja)
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DE (1) DE68909157T2 (ja)
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